BRPI1000618A2

BRPI1000618A2 - modular linear system of long distance remote oceanic monitoring stations with real time high speed bi-directional network transmission

Info

Publication number: BRPI1000618A2
Authority: BR
Inventors: Leonardo Teixeira Cusatis
Original assignee: Leonardo Teixeira Cusatis
Priority date: 2010-03-04
Filing date: 2010-03-04
Publication date: 2011-10-25

Abstract

SISTEMA LINEAR MODULAR DE ESTAçõES DE MONITORAMENTO OCEáNICO REMOTAS DE LONGA DISTáNCIA COM TRANSMISSãO EM REDE BI-DIRECIONAL DE ALTA VELOCIDADE EM TEMPO REAL. A presente invenção refere-se a um sistema para monitoramento de ambientes aquáticos, preferencialmente marinho. Esse sistema pode cobrir distâncias de centenas de quilómetros, transmitindo e recebendo dados em tempo real, em alta velocidade e em ambos os sentidos, podendo inclusive transmitir imagens de vídeo de alta resolução, em tempo real. O sistema é formado por diversas bóias (1) dispostas em sequência, de modo que possam se comunicar em rede por sinais (4) digitais de rádio frequência, utilizando antenas (2) omnidirecionais. As bóias (1) formam um sistema de repetidoras onde a primeira bóia se comunica com uma estação em terra (5). Cada bóia forma uma estação de monitoramento independente, com diversos sensores. Por exemplo, um sistema com 30 bóias, afastadas 10 km uma das outras, pode alcançar umadistância de 300 km da costa, criando uma área com cobertura de até 6000 km2. Dentro desta área, vários tipos de equipamentos poderão estabelecer comunicação com as bóias. Esse sistema pode realizar monitoramento meteo-oceanográfico, de pequena, meso e macroescala, simultaneamente, com alerta antecipado de eventos extremos e derramamento de óleo.MODULAR LINEAR SYSTEM OF LONG DISTANCE REMOTE OCEANIC MONITORING STATIONS WITH REAL-TIME HIGH SPEED BI-DIRECTIONAL NETWORK TRANSMISSION. The present invention relates to a system for monitoring aquatic environments, preferably marine. This system can cover distances of hundreds of kilometers, transmitting and receiving data in real time, at high speed and in both directions, and can even transmit high resolution video images in real time. The system consists of several buoys (1) arranged in sequence, so that they can communicate in a network by digital radio frequency signals (4), using omnidirectional antennas (2). The buoys (1) form a repeater system where the first buoy communicates with a station on land (5). Each buoy forms an independent monitoring station, with several sensors. For example, a system with 30 buoys, 10 km apart, can reach a distance of 300 km from the coast, creating an area with coverage of up to 6000 km2. Within this area, various types of equipment can establish communication with the buoys. This system can perform meteo-oceanographic, small, meso and macro-scale monitoring simultaneously, with early warning of extreme events and oil spills.

Description

"SISTEMA LINEAR MODULAR DE ESTAÇÕES DE MONITORAMENTO OCEÂNICO REMOTAS DE LONGA DISTÂNCIA COM TRANSMISSÃO EM REDE BI-DIRECIONAL DE ALTA VELOCIDADE EM TEMPO REAL"."MODULAR LINEAR SYSTEM OF LONG DISTANCE REMOTE OCEAN MONITORING STATIONS WITH REAL-TIME HIGH-SPEED BI-DIRECTIONAL NETWORK TRANSMISSION".

Refere-se a presente patente a um sistema para monitoramento de ambientes aquáticos, preferencialmente marinho, para longas distâncias em que os parâmetros podem ser monitorados em tempo real, em alta velocidade e o sistema pode ser reconfigurado remotamente.This patent relates to a system for monitoring aquatic environments, preferably marine, for long distances where parameters can be monitored in real time at high speed and the system can be remotely reconfigured.

Vários sistemas de monitoramento aquático estão em uso em diversas partes do mundo, utilizando os mais variados arranjos, em geral baseados em bóias, utilizando transmissores de rádio comuns, telefonia celular ou satélites para enviar os dados monitorados. Porém, sistemas que se encontram no mar, a centenas de quilômetros da costa, só podem utilizar satélites para a transmissão de dados, pois as ondas de rádio de média e alta freqüências, não acompanham a curvatura da terra.Several aquatic monitoring systems are in use in various parts of the world, using the most varied arrangements, usually buoy-based, using common radio transmitters, mobile phones or satellites to send the monitored data. However, systems that are in the sea, hundreds of kilometers from the coast, can only use satellites for data transmission, because the medium and high frequency radio waves do not follow the curvature of the earth.

O problema com os satélites, geralmente, é que eles não fornecem os dados em tempo real. Os dados têm de ser recebidos por uma estação de rastreamento em terra e depois disponibilizados para os interessados, como ocorre com os satélites brasileiros SCD-I e SCD-2, específicos para coleta de dados e também o ARGOS, franco- americano. Outro problema é que os dados trafegam apenas em um sentido, não sendo possível enviar dados para o sistema de monitoramento. Também, a velocidade de transmissão é baixa. A utilização de satélites que permitem a transmissão e a recepção de dados como o IMARSAT, OMNISAT e IREDIUM, são pagos , o que torna caro sua utilização 24 horas e também, a velocidade do tráfego de dados não é alta.The problem with satellites is usually that they do not provide real-time data. Data must be received by an onshore tracking station and then made available to interested parties, as is the case with the Brazilian data collection SCD-I and SCD-2 satellites, as well as the French-American ARGOS. Another problem is that the data travels only one way and it is not possible to send data to the monitoring system. Also, the transmission speed is low. The use of satellites that allow the transmission and reception of data such as IMARSAT, OMNISAT and IREDIUM are paid, which makes their use expensive 24 hours and also, the speed of data traffic is not high.

Alguns poucos sistemas utilizam cabos submarinos, que permitem alcançar grandes distâncias, com comunicação nos dois sentidos e em grande velocidade. Porém esse tipo de sistema tem que ser projetado para uma distância pré-determinada sendo de grande complexidade sua instalação gradual. Também, a expansão e a transferência desse sistema para outro local é muito difícil e de alto custo, principalmente em águas profundas.A few systems use submarine cables that allow them to reach long distances with two-way communication at high speeds. However this type of system has to be designed for a predetermined distance and its gradual installation is of great complexity. Also, expanding and relocating this system to another location is very difficult and costly, especially in deep water.

O sistema proposto pela presente invenção, consiste na utilização de um grande número de bóias alinhadas seqüencialmente e perpendicularmente a costa, em direção a alto mar, alcançando centenas de quilômetros. Cada bóia possui um transmissor-receptor de rádio freqüência (RF), formando uma rede de repetidoras. Os dados trafegam entre as bóias e uma estação em terra, que controla todo o sistema.The system proposed by the present invention consists in the use of a large number of buoys aligned sequentially and perpendicularly to the coast, reaching the high seas, reaching hundreds of kilometers. Each float has a radio frequency (RF) transceiver, forming a network of repeaters. The data travels between the buoys and a ground station that controls the entire system.

A distância entre as bóias é calculada baseada na altura das antenas das bóias em relação ao nível do mar, a curvatura da terra e o alcance do sinal, de modo que haja visada direta entre elas. Por exemplo, se as antenas das bóias estiverem a 3 metros do nível do mar, as bóias podem estar a 10 km de distância umas das outras, ainda com visada direta entre elas. Se forem utilizadas 30 bóias, por exemplo, pode-se fazer monitoramentos a 300 km da costa, com os dados trafegando em tempo real nos dois sentidos e em alta velocidade de transmissão, podendo ser transmitido, inclusive, imagens de vídeo.The distance between the buoys is calculated based on the height of the buoy antennas in relation to sea level, the curvature of the earth and the signal range, so that there is direct sight between them. For example, if the float antennas are 3 meters above sea level, the floats may be 10 km apart, yet with direct sight between them. If 30 buoys are used, for example, monitoring can be done 300 km from the coast, with data traveling in real time both ways and at high transmission speeds, and even video images can be transmitted.

Outra vantagem desse sistema é que cada bóia forma uma estação de monitoramento independente, isto permite que toda a extensão de mar, até a última bóia seja monitorada simultaneamente, permitindo acompanhar processos oceânicos de pequena, meso e macroescala, que evoluem em direção a costa ou se afastam dela.Another advantage of this system is that each float forms an independent monitoring station, which allows the entire length of the sea until the last float to be monitored simultaneously, allowing to track small, meso and macroscale ocean processes that evolve towards the coast or move away from her.

O sinal das bóias é irradiado em todas as direções e tem alcance de 5 km em visada direta, com relação ao nível do mar. Equipamentos que estejam nessa distância, em qualquer ponto dentro dos 300 km, na superfície da água, podem se comunicar com o sistema. Por exemplo, a passagem de bóias de deriva pode ser detectada e informada em tempo real à base de monitoramento a centenas de quilômetros de distância.The buoy signal is beamed in all directions and has a range of 5 km in direct sight, relative to sea level. Equipment that is at this distance, anywhere within 300 km, on the water surface, can communicate with the system. For example, drift buoys can be detected and reported in real time to the monitoring base hundreds of kilometers away.

Embarcações que estejam dentro do alcance máximo do sinal que é de 10 km, a 3 metros de elevação do nível do mar, (dentro de uma extenção de 300 km da costa,Vessels within the maximum signal range of 10 km, 3 meters above sea level (within 300 km of the coast,

considerando 30 bóias, ou seja dentro de uma área de 6000 km2) podem se comunicar com a base em terra, através deste sistema. Isto cria uma enorme área de cobertura com um mínimo de 3000 km2 até o limite de 6000 km2, considerando o exemplo citado.considering 30 buoys, ie within an area of 6000 km2) can communicate with the ground base through this system. This creates a huge coverage area with a minimum of 3000 km2 up to the 6000 km2 limit, considering the example cited.

Esse sistema é modular podendo ser implantado aos poucos e expandido posteriormente, simplesmente acrecentando-se novas bóias. A utilização de liberadoresThis system is modular and can be deployed gradually and expanded later, simply by adding new buoys. The use of liberators

acústicos, em todas as bóias permite, ainda, que todo o sistema seja removido ou transferido para outro local, com maior facilidade que em um sistema utilizando cabos submarinos.Acoustics on all buoys also allow the entire system to be removed or transferred to another location more easily than on a system using submarine cables.

Esta invenção permitirá a realização de pesquisas oceanográficas e climatológicas, contínuas, desde a costa em águas rasas até em alto mar em águasThis invention will allow for continuous oceanographic and climatological research from the shallow water coast to the deep sea offshore

profundas, simultaneamente, com alta velocidade e em tempo real, o que permitirá a obtensão de informações inéditas e extremamente importantes das interações entre essas regiões oceânicas.deep at the same time at high speed and in real time, which will allow us to obtain unprecedented and extremely important information on the interactions between these oceanic regions.

As bóias utilizadas podem ser do tipo "SPAR BUOY", por serem muito estáveis frente aos movimentos das ondas e do vento. Um novo tipo de bóia descrita por este inventor e depositada em 2009, sob o título de "SISTEMA DE MONITORAMENTO AUTOMÁTICO DA COLUNA DÁGUA COM MECANISMO DE DESINCRUSTAÇÃO ACOPLADO", também poderá ser utilizada.The buoys used may be of the "SPAR BUOY" type, as they are very stable against the movement of waves and wind. A new type of float described by this inventor and deposited in 2009 under the heading of "AUTOMATIC WATER COLUMN MONITORING SYSTEM WITH COUPLED DECREASING MECHANISM" may also be used.

As antenas utilizadas para transmissão e recepção do sinal são do tipo omnidirecionais, de polarização horizontal com 360° de ângulo de irradiação. Isso permite que o sinal seja transmitido em todas as direções, evitando que as bóias tenham de ficar perfeitamente direcionadas, o que seria quase impossível devido ao movimento das correntes e dos ventos. A antena da estação, por ser fixa, pode ser do tipo direcional.The antennas used for signal transmission and reception are omnidirectional, horizontally polarized with 360 ° irradiation angle. This allows the signal to be transmitted in all directions, preventing the buoys from being perfectly directed, which would be almost impossible due to the movement of currents and winds. The station antenna, being fixed, can be of directional type.

Na parte superior das bóias, acima da água, estão previstas estações meteorológicas com sensores pluviométricos, anemômetros, termômetros e radiômetros. Na parte superior, ainda, estão previtos um painel solar, que fornecerá a energia necessária ao funcionamento dos equipamentos elétricos de cada bóia e uma câmera de vídeo. Outra câmera está submersa, alojada na parte interna das bóias, podendo ser utilizada para realizar senso visual da biodiversidade marinha.On the upper part of the buoys, above the water, meteorological stations with rain sensors, anemometers, thermometers and radiometers are provided. At the top, there is also a solar panel, which will provide the energy needed to operate the electrical equipment of each float and a video camera. Another camera is submerged, housed inside the buoys, and can be used to make a visual sense of marine biodiversity.

Também, estão previstos sensores ópticos e de hidrocarbonetos para detectar manchas de óleo no mar.Also, optical and hydrocarbon sensors are provided to detect oil slicks in the sea.

A energia gerada pelos painéis solares é armazenada em baterias recarregáveis, instaladas dentro das bóias. Na linha d'água estão previstos sensores, para medição da temperatura da superfície da água.The energy generated by the solar panels is stored in rechargeable batteries installed inside the buoys. Sensors are provided in the water line to measure the water surface temperature.

Em cada bóia está alojado um computador que gerencia e comanda o sistema de aquisição de dados e o sistema de comunicação com as demais bóias.In each float is housed a computer that manages and controls the data acquisition system and the communication system with the other floats.

Dentro de cada bóia, na parte submersa, está prevista uma antena de RF. Os cabos de aço de fixação das bóias, também são utilizados como antenas. Isto permite criar um sistema de comunicação subaquático com veículos submarinos autônomos, conhecidos como AUV (Autonomus Underwater Veicle). Esses veículos podem se mover pelo leito marinho por meio de rodas, esteiras ou navegar como um submarino, se comunicando com as bóias através de ondas acústicas ou de rádio freqüência (RF), de baixa e/ou alta freqüência. As ondas de RF de alta freqüência não se se propagam na água além de uns poucos centímetros. Para estabelecer comunicação nestas freqüências os veículos (AUV) devem encostar na bóia ou no cabo de aço que prende as bóias ao fundo. Essas antenas, também, poderão monitorar animais aquáticos como peixes, tartarugas e baleias em que foram previamente fixados dispositivos de monitoramento. Estações de monitoramento fixadas no leito marinho, também podem se comunicar com as bóias através de cabos, sinais acústicos ou de RF de baixa freqüência. Estas estações poderão monitorar atividades sísmicas e biológicas nessas regiões bênticas.Inside each float, in the submerged part, an RF antenna is provided. The float fixing wire ropes are also used as antennas. This allows to create an underwater communication system with autonomous underwater vehicles, known as AUV (Autonomus Underwater Veicle). These vehicles can move across the seabed by means of wheels, tracks or navigate like a submarine, communicating with the buoys through acoustic or low frequency and / or high frequency radio frequency (RF) waves. High frequency RF waves do not propagate in water beyond a few centimeters. To establish communication at these frequencies, vehicles (AUV) must touch the float or wire rope that attaches the floats to the bottom. These antennas will also be able to monitor aquatic animals such as fish, turtles and whales on which monitoring devices have previously been fixed. Seabed monitoring stations can also communicate with the buoys via cables, acoustic signals or low frequency RF signals. These stations will be able to monitor seismic and biological activities in these benthic regions.

Dentro das bóias e preso aos cabos de fixação estão previstos, também, correntômetros de efeito doppler que medem a velocidade e a intensidade das correntes submarinas.Inside the buoys and attached to the fixing cables are also provided doppler current meters that measure the speed and intensity of underwater currents.

Estão previstos, ainda, hidrofones dentro das bóias, para o monitoramento de baleias e outros sinais sonoros como a aproximação de embarcações.There are also hydrophones inside the buoys for the monitoring of whales and other sound signals such as the approach of vessels.

Vários sensores podem ser fixados as bóias, para determinação de diversos parâmetros fisico-quimícos da água, como: condutividade, temperatura, PH, oxigênio dissolvido, fluorescência, etc. Esses sensores podem ser fixos, na parte submersa das bóias ou estarem em sondas móveis automáticas, que não ficam permanentemente submersas.Several sensors can be attached to the buoys to determine various physicochemical parameters of water, such as conductivity, temperature, pH, dissolved oxygen, fluorescence, etc. These sensors can be fixed to the submerged part of the buoys or be in automatic moving probes that are not permanently submerged.

Como cada bóia se comporta como uma estação de monitoramento independente, elas podem ser configuradas e reconfiguradas remotamente para realizar monitoramentos específicos.Because each float behaves as an independent monitoring station, they can be remotely configured and reconfigured to perform specific monitoring.

Todo esse arranjo forma um poderoso sistema de monitoramento oceânico em tempo real, com alta velocidade e por longos períodos, permitindo a realização de pesquisas avançadas, envolvendo, por exemplo: o monitoramento do nível do mar, o monitoramento da acidifícação e temperatura da água do mar, das interações água- atmosfera, o monitoramento de animais marinhos, teste de veículos autônomos o monitoramento das condições meteorológicas oceânicas, inclusive com alerta antecipado de eventos extremos como, ciclones, tsunamis e atividades sísmicas.This arrangement forms a powerful, real-time, high-speed, long-term oceanic monitoring system, enabling advanced research to be carried out, for example: sea level monitoring, acidification and water temperature monitoring. water-atmosphere interactions, marine animal monitoring, autonomous vehicle testing, ocean weather monitoring, including early warning of extreme events such as cyclones, tsunamis and seismic activities.

O monitoramento desses parâmetros são de extrema importância, atualmente, para se acompanhar as mudanças climáticas que vêm se verificando no planeta.Monitoring these parameters is extremely important today to monitor the climate changes that are occurring on the planet.

Para melhor compreenção, a invenção será descrita a partir das figuras que se seguem, onde:For a better understanding, the invention will be described from the following figures, where:

A figura 1 mostra a vista principal da invenção.Figure 1 shows the main view of the invention.

A figura 2 ilustra, o posicionamento de três bóias, apenas, com a trajetória das ondas de rádio, considerando a curvatura da terra.Figure 2 illustrates the positioning of three buoys only with the trajectory of the radio waves, considering the curvature of the earth.

A figura 3 mostra uma das bóias em corte transversal.Figure 3 shows one of the buoys in cross section.

Como mostra a figura 1, o sistema é formado por uma série de bóias (1) presas ao fundo (8) por poitas (7), cabos (3) de aço e liberadores acústicos (9) dispostas seqüencialmente e afastadas umas das outras por distâncias iguais.As shown in Figure 1, the system is formed by a series of floats (1) attached to the bottom (8) by shanks (7), steel cables (3) and acoustic release (9) arranged sequentially and spaced apart by one another. equal distances.

Na parte superior de cada bóia, está instalada a antena (2) omnidirecional, que transmite os sinais de rádio freqüência (4) de uma bóia para outra, estabelecendo uma comunicação em rede bi-direcional de alta velocidade entre as bóias (1) e a estação (5) em terra, equipada com antena direcional (6).At the top of each float is the omnidirectional antenna (2), which transmits the radio frequency signals (4) from one float to another, establishing high-speed bi-directional network communication between the floats (1) and the ground station (5), equipped with directional antenna (6).

Como ilustra a figura 2, as bóias (1) são projetadas com uma determinada altura (11) e fundeadas a distâncias (12) iguais, de modo que haja visada direta entre elas. A altura e a distância entre as bóias é calculada em função do alcance do sinal e da curvatura da terra (13).As illustrated in Figure 2, the buoys (1) are designed at a certain height (11) and anchored at equal distances (12) so that they are directly aimed at them. The height and distance between the buoys is calculated as a function of signal range and the curvature of the earth (13).

Como ilustra a figura 3, no interior de cada bóia está previsto um computador (14) que comanda o tráfego dos dados, podendo ser reconfigurados individualmente pela estação(5) em terra.As shown in Figure 3, inside each float there is provided a computer (14) which controls the data traffic and can be individually reconfigured by the ground station (5).

As bóias possuem também, antenas internas (15) que podem enviar e receber sinais de RF de baixa freqüência, subaquáticos. Os cabos (3) de fixação das bóias, também funcionam como antenas, para transmissão e recepção de sinais de RF.The buoys also have internal antennas (15) that can send and receive underwater low frequency RF signals. The float fixing cables (3) also function as antennas for transmitting and receiving RF signals.

O correntômetro (16) por efeito doppler e o hidrofone (17), estão fixados no interior das bóias.The current meter (16) by doppler effect and the hydrophone (17) are fixed inside the buoys.

Os sensores dos parâmetros fisico-químicos, podem estar fixos dentro d'água ou alojados em sondas móveis (18), que descem pela estrutura externa das bóias fazendo um perfil vertical da coluna d'água.The sensors of the physicochemical parameters can be fixed in water or housed in mobile probes (18), which descend through the external structure of the buoys making a vertical profile of the water column.

Os liberadores acústicos (9) estão fixados entre as poitas (7) e os cabos (3) de aço de cada bóia.The acoustic releases (9) are fixed between the wells (7) and the steel cables (3) of each float.

Os sensores meteorológicos (19), estão fixados na parte superior externa das bóias.The weather sensors (19) are attached to the upper outer part of the buoys.

O sensores de temperatura (20) da superfície da água (10) e o sensor de temperatura (22) do ar atmosférico, estão alojados em uma pequena bóia (21), que flutua na superfície da água (10) e se move livremente em volta de uma haste (23) presa na parte superior da bóia principal (1). Dentro desta bóia (21) fica alojado, também, o sensor (24) de hidrocarbonetos.The water surface temperature sensors (10) and the atmospheric air temperature sensor (22) are housed in a small float (21) which floats on the water surface (10) and moves freely in around a rod (23) attached to the top of the main float (1). Within this float (21) is also housed the hydrocarbon sensor (24).

Na parte superior externa das bóias, ainda, está fixado o painel solar (25).On the outer upper part of the buoys is still fixed the solar panel (25).

Na parte superior interna das bóias, estão previstos os sensores ópticos (26), para análise da superfície da água, com fonte de luz própria (27).In the inner upper part of the buoys, optical sensors (26) are provided for the analysis of the water surface with its own light source (27).

Uma das câmeras (28) está alojada na parte superior interna das bóias (1) e a outra câmera (29) está alojada na parte interna submersa das referidas bóias (1).One of the cameras (28) is housed in the inner upper part of the buoys (1) and the other camera (29) is housed in the submerged inner part of said buoys (1).

Claims

1. "Modular linear system for ocean monitoring stations" consisting of buoys equipped with oceanographic and meteorological instruments with radio frequency data transmission system, characterized by the placement of many sequentially arranged oceanographic buoys (1), maintaining direct sight between them, reaching hundreds of kilometers offshore, where a station (5) transmits the signal to the first float and is relaying to the second float and so on to the last float, which relays the signal back, forming a network. transmission and reception of digital radio frequency signals (4) at high speed;

2. according to claim 1, characterized in that the system is modular and can be continuously expanded;

3. according to claim 1, characterized in that the antennae (2) of the buoys are omnidirectional;

4. according to claim 1, characterized in that the antenna (6) of the ground station (5) is of the directional type;

5. "Modular linear ocean monitoring station system", characterized in that each float has an internally housed RF antenna (15) that follows its submerged longitudinal extension;

6. "Modular linear system for ocean monitoring stations", characterized in that the float fixing steel cables (3) are used as a radio frequency antenna;

7. "Modular linear ocean monitoring station system", characterized in that each float has a video camera (28) installed on its upper part;

8. "Modular linear ocean monitoring station system", characterized in that each float has a video camera (29) installed on its submerged bottom;

9. "Modular linear ocean monitoring station system", characterized in that each float has at its top optical sensors (26) with its own light source (27) for determining the color of the water;

10. "Modular linear ocean monitoring station system", characterized in that each float has an acoustic release (9), fixed between the wire rope (3) and the well (7);

11. "Modular linear system for ocean monitoring stations", characterized in that each float has a hydrophone (17) attached to its submerged bottom;

12. "Modular linear ocean monitoring station system", characterized in that each float (1) has a small float (21), which houses a water surface temperature sensor (20), a temperature sensor ( 22) atmospheric air and a hydrocarbon sensor (24), wherein this small float (21) moves vertically around a rod (23) attached to the top of the main float (1).